基于特征定量化预测的矿产资源勘查技术研究.pdf

84 2024 年第 1 期 中国非金属矿工业导刊 总第 163 期【技术方法】基于特征定量化预测的矿产资源勘查技术研究张起1,高静2(河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院，河南 郑州450000)【摘要】为了提取矿产资源形成特征信息、定量分析矿产资源分布情况以实现矿产勘查和预测，提出了一种基于特征定量化预测的矿产资源勘查技术。从研究区域基本地质情况出发，参考该地域已有的勘查数据与钻孔资料，使用 Surpac软件构建地质结构的三维模型，利用该模型定量化分析矿产资源形成特征信息，并提取形成特征信息；使用 Flac3D 有限元软件构建研究区域的数值模型，定量化分析断裂缓冲区域的矿产资源构造特征信息，提取该构造信息特征，同时使用矿产资源勘查特征定量预测模型，确定矿产资源有利区划，实现矿产资源勘查。结果表明，辉绿岩最佳缓冲距离为 0 55m，断裂缓冲区最优缓冲距离为 55 105m，由此提取出矿产资源运移特征有利信息；该方法能够获得矿产资源定量特征的信息量，经叠加计算勘查出研究区域的矿产资源分布情况。【关键词】地质特征；定量化预测；矿产资源；勘查技术；构造信息特征；断裂缓冲【中图分类号】P624.7 【文献标识码】A【文章编号】1007-9386(2024)01-0084-04Research on Mineral Resources Exploration Technology Based on Characteristic Quantitative PredictionZHANG Qi1,GAO Jing2(Third Geological and Mineral Survey Institute of Henan Bureau of Geological and mineral exploration and development,Zhengzhou,450000,China)Abstract:In order to extract characteristic information of mineral resource formation,quantitatively analyze the distribution of mineral resources,and achieve mineral exploration and prediction,a mineral resource exploration technology based on feature quantification prediction is proposed.Starting from the basic geological conditions of the study area,referring to the existing exploration data and drilling data of the area,a three-dimensional model of geological structure is constructed using Surpac software.The model is used to quantitatively analyze the formation feature information of mineral resources and extract the formation feature information;Using Flac3D finite element software to construct a numerical model of the study area,quantitatively analyze the structural feature information of mineral resources in the fault buffer zone,extract the structural information features,and use a quantitative prediction model of mineral resource exploration features to determine favorable zoning of mineral resources and achieve mineral resource exploration.The results show that the optimal buffer distance of Diabase is 055m,and the optimal buffer distance of fault buffer zone is 55 105m,from which the favorable information of mineral resource migration characteristics can be extracted;This method can obtain information on the quantitative characteristics of mineral resources and,through superposition calculation,explore the distribution of mineral resources in the study area.Key words:geological characteristics;quantitative prediction;mineral resources;exploration technology;structural information characteristics;buffer of fracture矿产资源勘查技术在我国矿产相关产业发展中起着重要作用，并已积累了丰富的理论知识和实践经验1。矿产资源勘查涉及多种技术手段，通过相应的技术手段将地质信息转化为数据。这个过程涉及综合设计技术、数据库存储技术、三维技术以及地理信息相关技术的整合2-4。在勘查工程中，技术应用需要保持连续性，以确保勘查结果的准确性，但各个技术之间又有一定的隔离性，为此需要解决这【作者简介】张起(1986-)，男，汉族，本科，工程师，研究方向资源勘查工程等相关专业的应用，E-mail：。【通讯作者】高静(1982-)，女，汉族，本科，工程师，研究方向水工环地质等相关专业的应用，E-mail：。【引文格式】张起,高静.基于特征定量化预测的矿产资源勘查技术研究 J.中国非金属矿工业导刊,2024(1):84-87.一技术难题5，这也是矿产资源勘查研究的关键所在。刘建博等6研究者利用有限元软件构建矿区的三维模型，并从力学角度分析矿产资源开采可能导致矿区变形的情况，虽然该方法构建的三维模型，模拟出地下结构情况，但是后续分析研究较为局限；地质结构模拟效果也是目前还没有完善的问题，王鹏等7学者研究的虚拟现实技术欲解决这一问题，该技术能够很大程度提升勘查效率，具有交互性和85可视化效果，便于勘查研究能够更加直观获得地下矿产资源的情况，但是该技术前期准备技术手段较多，成本也较高。本文使用特征定量化预测方法结合三维地质模型与数值模拟方法研究矿产资源勘查技术，以期获得研究区域的矿产资源分布情况。1矿产资源勘查技术定量化预测研究1.1 地质背景本文所研究区域位于我国西南部，地质历史上该区曾发生多次火山喷发，火山岩分布范围广，厚度大，平均厚度约 3km。岩浆通常是通过冷凝固化或填充在沉积地层之间，总体自北向西倾斜，倾斜角范围45 65。岩浆岩岩性自上而下依次为含角闪石辉长岩、辉绿岩、浅色辉长岩等。岩体底部和震旦系白云质灰岩之间存在明显的侵入关系8。长期热接触作用使灰岩变质为大理石，厚度约为 350m。历经各种地质作用，形成了丰富铁、钛等金属矿产资源。1.2 三维地质建模及成矿有利信息提取1.2.1 三维地质建模综合考虑所研究区域的地质特征，以研究区域某一处多金属矿床为模型构建的对象。收集并整理该区域的以往地质勘查信息，包括地层、构造、岩浆岩地质特征；探矿工程信息(钻孔资料等)9-11；样品的采集位置、分析方法、测试结果等。为三维地质模型的构建和矿产资源评估提供准确和可靠的数据基础。本次共整理 13 幅地质图及剖面图、35 个钻孔信息，与其他地质勘查信息一并导入 Surpac 软件中。通过对数据进行预处理，确保数据的一致性和准确性，以满足建模的需求。根据地图信息，通过数字高程模型(DEM)创建区域的地形表面模型；基于钻孔结果资料和地质纸质信息，按照不同的地层和岩性建立三维地质模型(图 1)。好基础。1.2.2 成矿有利信息定量化提取(1)矿源特征有利信息提取。钻孔资料显示，所研究区域为“别子式”矿区，形成矿产资源的物质来源和能量来源都是影响矿产资源形成的重要因素12。使用三维地质模型分析，该区域中辉绿岩是成矿的主要因素，同时岩浆活动及喷出岩大量沉积为成矿提供矿源。统计钻探及区域矿产资料分析，有两处集中分布约 28.5%和57.6%的已知矿产资源，说明这两处地质体是主要矿产资源赋矿层13。(2)成矿元素运移特征有利信息提取。成矿元素的运移主要包括两个影响因素，其一是在沉积岩和岩浆岩的接触带上，对距离存在差异的辉绿岩区域使用膨胀缓冲法构建一个缓冲区域，该缓冲距离使用含矿性分析确定，由此实现沉积岩和基性岩交界位置的表征；另一种因素则是使用断裂和最佳断裂缓冲区构建矿产资源运移通道。通过三维地质模型分析，并提取出矿产资源运移特征有利信息，用于后续勘查矿产资源在岩体中的分布情况。(3)矿产存储特征有利信息提取。矿产形成的主要圈闭空间通常与地质构造密切相关，特别是与褶皱构造和其影响下形成的滑脱空间有关。受到地形作用影响，研究区域存在多处褶皱构造，矿产资源受构造影响，分布走向也呈现东西方向，围岩的形态与该矿产的产状分布也较为一致，从三维地质模型中来看，围岩出现的褶皱会导致岩体发生波状起伏和弯曲，导致地层中出现膨大变厚的虚脱空间，矿物质在该空间富集并存储。火山碎屑岩中的角斑质和细碧质中都会分布大量矿产，其所处的地层也更厚，从三维地质模型来看，矿产资源一般会在地层 500m 厚度明显大量富集14。1.3 三维数值模拟特征定量化预测矿产勘查。将图 1 中构建的三维地质模型立方体坐标，转换成可以输入 Flac3D 有限元软件的数值，构建三维数值模型，模型结构见图 2。三维数值模型构建时，综合地层、构造、岩浆岩等影响矿产资源形成作用的有关地质内容，运用现有数据资料，将初始条件与边界条件定量化。在有限元软件中通过数值模拟构建流固耦合瞬态关系，由此定量分析流体运移影响下的矿产资源所处地质环境的异常情况，圈定矿体的具体位置15。采取立方体预测模型定量提取并分析研究区域的岩体结构和有利于形成矿产资源的信息。以数学图 1三维地质模型图 1 中的模型绘制出了研究区域的地质特征。岩浆岩及底部的大理岩赋存状态转变成实体模型，为后续数值模拟分析及矿产特征定量化预测打下良张起等：基于特征定量化预测的矿产资源勘查技术研究86统计为基础，对比地质情况与已经探明的矿产资源数量情况，获得岩体结构和矿产资源结构信息之间的关系。定量化分析断裂缓冲区域的矿产资源构造信息，实现提取矿产资源形成构造信息特征提取，使用统计学方法获得这些特征变量的阈值区间。1.4 矿产资源勘查特征定量预测模型本文使用找矿信息量法通过计算确定研究区域地质结构中各个找矿标志信息量，由此确定各个地质块体的信息量，划分出靶区和研究区域中的成矿有利区域。找矿信息量法具有非参数特点是一种单变量统计分析方法，原理是对各个地质因素在地下各个位置的分布情况作出研究，以指导矿产资源勘查。将某个区域看成是一个较大的立方体，矿产勘查成功概率是多种要素信息量的综合，通过条件概率计算某个矿产资源标志的勘查信息量，计算式为式(1)：IA(B)=lgP(A/B)/*P(A)(1)式中，IA(B)表示A标志之内所包含的B矿信息量，P(A/B)代表明确 B 矿时会发生 A 标志的概率；P(A)代表所研究区域之中发生 A 标志的概率。但是实际研究过程中对概率加以估计时会存在一定量困难，概率值估计使用频率值计算获得，则有式(2)：IA(B)=lgNj/N/(Sj/S)(2)其中，N 和 S 分别表示含有矿产资源的单元总数量以及全部单元总数量；Nj与 Sj分别表示含有标志 A 的单元总数与含有矿产资源的单元数。2试验结果2.1 矿产形成特征有利信息提取分析结果矿产资源运移特征有利信息提取过程中，需要通过辉绿岩缓冲距离以及最优断裂缓冲区表征矿产资源的运移通道，研究区域不同距离断裂缓冲区含矿性、辉绿岩含矿性与缓冲距离的关系(图 3)。从图 3 中能够明显看出两个区域的含矿性，缓冲距离在 0 55m 范围内，辉绿岩呈现出最优含矿性缓冲区，而断裂缓冲区的最优范围为 55 105m区域。确定这两个缓冲区范围后，绘制矿产资源缓冲区三维地质模型，结果见图 4。图 4 中能够明显看出缓冲区的三维地质结构，根据该结构使用膨胀缓冲法提取出矿产资源运移特征有利信息。图 2三维数值模型图 3矿产资源缓冲区成矿有利信息图 4缓冲区三维地质分布模型2.2 特征定量预测分析根据本文所构建的三维地质模型、数值模拟模型、特征定量预测模型以及矿产资源形成特征有利信息提取，结合相关资料分析的地质要素内容，设定多个预测变量以及与该变量相关的定量特征值，利用找矿信息量法计算出矿产资源勘查控制要素信息量值(表 1)。从表 1 中能够看出，各个控矿要素信息量值均为正值，说明本文所使用的特征定量预测模型具有有效性，但各个定量预测要素在模型中的贡献存在差异。其中辉绿岩、辉绿岩 55m 缓冲、褶皱转折端的信息量值均较高，可以看出这三项是贡献较高的矿产资源勘查控制要素。2.3 流体运移数值模型下矿产形成分析本文所使用有限元软件瞬态数值模拟地下空间中，随着时间变化，孔隙水压力会发生变化，反映出矿产资源在岩体中的空间位置体积变化特征。选择一个时间段作为初始状态，数值模拟出该状态下的裂隙周边孔隙水压力负值变化范围，继续在有限元软件中增加计算时间至 8108s，观察负值变化范围，确定矿产资源形成的地质异常变化情况，结果见图 5。2024 年第 1 期 中国非金属矿工业导刊 总第 163 期873结论使用特征定量化预测方法与三维技术、数值模拟技术相结合，为矿产勘查提供指导。构建三维地质模型，提取出矿产勘查的定量化特征，利用地质异常有限元分析提升矿产勘查的准确性。本方法将数值模拟变量与特征定量化相结合，通过流固耦合模拟地下空间孔隙水压力分布情况，确定矿产的分布范围，实现定量化预测。利用本方法可以有效预测研究区域的矿产资源分布情况，具有一定的适用性。但在实际矿产勘查时，由于地质环境的差异，可能导致本方法无法结合环境要素分析特殊矿种特征，影响勘查数据的完整性。因此在未来研究中，将继续提升勘查数据完整性，引入深度学习算法，并综合考虑勘查区的地质数据、遥感数据，建立特殊矿产资源的特征模型，及时调整并改进，获得更加准确、更完整的勘查数据，以此促进对矿产资源勘查和评价。【参考文献】1 孔维豪,肖克炎,陈建平,等.降低矿产资源定量预测不确定性的双向预测方法 J.地学前缘,2021,28(3):128-138.2蔡惠慧,朱伟,李孜轩,等.基于深度学习的钨钼找矿靶区预测方法研究J.地球信息科学学报,2019,21(6):928-936.3 马瑶,赵江南.机器学习方法在矿产资源定量预测应用研究进展 J.地质科技通报,2021,40(1):132-141.4 张振杰,成秋明,杨玠,等.机器学习与成矿预测:以闽西南铁多金属矿预测为例 J.地学前缘,2021,28(3):221-235.5李录娟,贾龙,殷仁朝.基于孔中雷达反射成像特征的岩溶定量化评价J.中国岩溶,2021,40(5):901-906.6 刘建博,付建新,王灵,等.充填法开采矿体三维模型构建及井筒稳定性分析 J.矿冶工程,2021,41(5):18-21.7 王鹏,刘小利,刘静,等.虚拟现实技术及其在地球科学中的应用 J.地质科学,2020,55(1):290-304.8 孙传尧,宋振国,朱阳戈,等.中国铜铝铅锌矿产资源开发利用现状及安全供应战略研究 J.中国工程科学,2019,21(1):133-139.9 吴晓光,缪祥禧,王志文,等.自然伽马能谱测井在四川盆地矿产资源勘探中的应用 J.特种油气藏,2021,28(5):45-52.10 王丰翔,黄圣路,王权,等.非洲铂族金属矿产资源禀赋特征、成矿潜力及开发利用 J.地质与勘探,2021,57(6):1229-1242.11 胡鹏,张海坤,曹亮,等.印度尼西亚苏门答腊岛斑岩型铜(钼)矿产资源定量评价 J.矿床地质,2020,39(5):867-878.12 成 秋 明.极 端 地 质 事 件 定 量 模 拟 与 预 测 J.中 国 科 学:地 球 科学,2022,52(6):975-991.13 李晓峰,徐净,朱艺婷,等.关键矿产资源铟:主要成矿类型及关键科学问题 J.岩石学报,2019,35(11):3292-3302.14 张璐,何峰,陈晓智,等.基于倾角导向滤波控制的似然属性方法在断裂识别中的定量表征 J.岩性油气藏,2020,32(2):108-114.15 张自力,朱筱敏,陈贺贺,等.断陷湖盆缓坡带古河道定量恢复方法及油气地质意义：以霸县凹陷文安斜坡东营组为例 J.高校地质学报,2021,27(5):501-514.【收稿日期】2023-07-01表 1矿产资源定量预测 矿产形成要素 矿源特征 运移特征 存储特征 地质要素 基性岩或者次火山岩 矿源层 基性岩和沉积岩界面 成矿构造 褶皱控制 地层控制 预测要素 辉绿岩 赋矿地层 辉绿岩缓冲区 破碎带 褶皱转折端 地层特征 矿产形成有利信息 辉绿岩 矿源层 辉绿岩 55m 缓冲 断裂 105m 缓冲 褶皱转折端 地层厚度 定量特征值 辉绿岩 矿源层 辉绿岩 55m 缓冲 断裂 105m 缓冲 褶皱转折端 500m 信息量 1.321 0.489 1.473 0.001 1.587 0.001a 初始状态孔隙水压力数值模拟b 8108s 孔隙水压力数值模拟图 5孔隙水压力变化数值模拟从图 5 可知，随着时间计算的增加，孔隙水压力的负值区域逐渐扩大，说明研究区域岩体之中存在矿产形成空间。孔隙水压力变化是判断矿产形成的有利地质信息，经过数值模拟获得研究区域三维叠加统计结果，确定孔隙水压力区间，并根据孔隙水压力负值变化信息在三维地质模型中划分出促进矿产形成的区域，将矿产形成区域的划分结果作为特征定量分析结果，用于指导矿产资源的最终勘查。2.4 矿产资源勘查结果分析特征定量预测模型将研究区域中的某一块看成是一个较大的立方体，表 1 中列出有关该立方体的全部有利于矿产形成的有利信息，将这些信息量全部叠加，获得整个立方体的信息量。根据式(1)及式(2)计算得出的结果，与实际钻孔探测结果相比，信息量值越大，表示立方体中包含更多有利的矿产形成信息，判断成矿的准确度越高。矿产三维地质模型勘查结果见图 6。图 6矿产资源三维地质模型勘查结果从图 6 可知，研究区域中岩体、断裂缓冲构造分布密度较大，矿产资源分布范围较广，空间分布总体呈东北稀疏西南密集的趋势。利用本文方法进行矿产资源勘查可以有效确认矿产的分布位置和分布面积，以及岩体、水体及断裂缓冲构造的分布特征，对于后续的矿产开采决策提供了参考。张起等：基于特征定量化预测的矿产资源勘查技术研究